基于MSP430单片机的瓦斯风速传感器设计

王君松,王 奥,李 勤,胡耀盟

（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院,北京 100083）

基于MSP430单片机的瓦斯风速传感器设计

王君松,王 奥,李 勤,胡耀盟

（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院,北京 100083）

针对煤矿现有各个传感器模块相对独立，数据传输量大，相互配合复杂等现象，用MSP430F5529高性能单片机设计了能同时将检测瓦斯浓度和风速的传感器。该传感器采用MQ-4气体传感器模块采集瓦斯浓度，基于光电编码器设计了风速传感器，利用12864液晶显示，含有RS-485数据传输模块，通过按键实现人机交互，并能实现瓦斯超限报警等功能。将矿用的两种传感器融合到一起，方便了安装、使用和维护，有较大的发展前景。

单片机；瓦斯检测；风速检测

在国民经济发展过程中，煤炭作为主要能源起到了重要作用。随着经济的快速发展，煤炭产量也逐步提升，各种煤矿事故成为制约煤炭产量增长的主要因素，其中因为瓦斯超限引起的瓦斯爆炸危害最为严重，所以瓦斯的检测与排放至关重要。随着节能理念的提升，根据瓦斯浓度的不同，通过变压变频控制风机转速的技术用到的越来越多，而控制风机的前提是检测到瓦斯浓度和风速。在传统的矿用传感器中瓦斯和风速分开检测，数据处理相对复杂。本文以MSP430F5529单片机为核心，设计了一款可以同时检测瓦斯含量和风速的传感器，具有精确、实用、经济等特点。

1 单片机的选取

MSP430F5529是TI公司推出的具有USB集成的超低功耗单片机，16 位 RISC 结构，可拓展内存，高达 25MHZ 的系统时钟；具有内部基准电压，采样和保持及自动扫描功能的 12 位 ADC；具有多个捕获，比较寄存器。其集成的USB功能有利于售后软件的升级。并且TI公司推出多款MSP430F5529的开发板，有利于该单片机的学习和开发。基于以上特点选取MSP430F5529作为传感器的主控芯片。

2 传感器的选择

传感器分为两部分：瓦斯传感器和风速传感器。瓦斯传感器选取MQ-4气体传感器模块,该模块使用的气敏材料是清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。当传感器所处环境中存在瓦斯等气体时，传感器的电导率随空气中瓦斯浓度的增加而增大。通过调理电路将电导率变化转变为输出电压变化，利用单片机采样计算出瓦斯浓度。MQ-4气体传感器对瓦斯的灵敏度高，成本低。适合用于设计瓦斯传感器。

目前风速传感器使用较多的是利用卡曼涡街效应设计的超声波旋涡式风速传感器，该传感器虽然精度较高，但是价格昂贵，性价比不高。本文利用光电编码器（包括槽型光耦模块和光电码盘）设计一种简单实用的风速传感器。该传感器采用工程塑料叶片作为风速感应元件, 将编码器的码盘与叶片连接到一起，当有风吹过时，带动叶片和码盘转动，用过槽型光耦模块产生对应的PWM波形。将产生的信号输入到单片机的定时器捕获输入口测出频率，即可得到叶片的转速。针对叶片的转速和风速之间的对应关系与叶片的大小和形状、润滑程度等多种因素有关，没有很好地计算方法，实际应用中较好的解决办法是将风速传感器放在已知风速的环境中改变风速记录转速，做成对应的表格，然后通过查表和线性插值的方法，求出在任意转速对应的风速。这种风速传感器制作简单，成本很低，精度相对较高，适用于煤矿等环境中。

系统结构构成框图：

3 显示和数据传输

在实际应用中瓦斯浓度和风速值需要实时显示并且传输到上位机等，所以显示和数据传输部分同样重要。市面上的瓦斯与风速传感器相对独立，LED数码管具有简单、经济、实用的优点，所以被大量采用。针对该系统中瓦斯和风速同时采集，并考虑到人机交互的需要，我们采用带中文字库的12864液晶屏。液晶体积小，功耗低，显示操作简单。12864液晶是内置8192个16*16点阵、128个字符（8*6点阵）及64*256点阵显示RAM（GDRAM）。与外部cpu接口采用并行或串行两种控制方式，在这里我们采用串行的控制方式，可以节省单片机的管脚。

数据传输采用RS-485通信方式，RS-485是一种多发送器标准，在通信线路上最多可以使用32对差分驱动器/接收器。如果在一个网络中连接的设备超过32个，还可以使用中继器，另外所以利用RS-485还具有通信距离远的优点，传输距离可达1200m，利用485总线很容易实现传感器的组网检测。利用MAX485模块实现TTL信号转485信号。

4 按键与报警电路

在煤矿中不同地区的瓦斯浓度上限不同，所以需要按键中断改变瓦斯浓度报警值和风速报警值，还需要按键改变液晶的背光亮度和对比度。通过4*5的矩阵键盘即可满足上按键的要求。报警电路采用无源蜂鸣器和发光二极管即可，利用PWM控制，根据不同的瓦斯浓度和风速实现不同的报警信号。

系统程序流程图为：

5 总结

与传统的矿用传感器不同，该传感器结合瓦斯和风速传感器两部分，采用MSP430F5529高性能单片机，选用合适的瓦斯传感器和独特的风速检测方法，方便的人机交互，简易的与上位机通信，使该传感器具有经济、实用等特点。虽然现在煤矿的各个传感器还是相对独立。但是随着技术的发展，各个传感器的整合，该传感器有很大的发展前景。

[1]郭天祥.51单片机C语言教程[S].电子工业出版社，2013：4-18.

项目资助：中国矿业大学（北京）大学生创新训练项目资助

项目编号：Y20131404